[发明专利]一种用于热铸工艺中管件的3D打印材料

说明书

技术领域

本发明属于精密铸造工艺领域，具体涉及一种用于热铸工艺中管件的3D打印材料。

背景技术

随着如今工业生产效率与质量的不断提升，对于工业生产中所用到的热铸管件的质量要求也随之提高。目前管件大多通过模具进行浇铸成型，此方法虽然成本低，制作效率高，制得管件的机械性能虽然得到保证，但是在长时间高温甚至超高温环境的使用下，其承温能力存在明显不足，容易导致开裂、变形以及断裂的发生，影响工业生产的正常有效进行；同时浇铸成型的管件精度具有一定局限性，对于某些对精度、形状有着特殊要求的生产工艺，无法满足其需求。

3D打印技术作为快速成型领域，能够适用于对精度、形状具有特殊要求的管件制备，但是目前的打印材料无法在高温或者超高温的环境下使用。

因此，如何将3D打印技术应用在高温或者超高温的环境下使用的管件生产中，是本领域技术人员所急需解决的难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种用于热铸工艺中管件的3D打印材料。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于热铸工艺中管件的3D打印材料，其组成成分以及各成分所占质量份数分别为：粘土料：33～45%、无碱玻璃纤维：19～28%、纳米二氧化锆：12～21%、镍基合金粉末：7～15%、辅助剂：5～12%；镍基合金粉末的组成成分以及各成分所占镍基合金粉末质量百分比分别为：Cr：1.3～1.75%、Co＜3.1%、Mo：2.75～3.85%、Re：4～7.7%、Ru＜2.5%、W：5.3～7.5%、Al：3.5～7.5%、Ti＜2%、Ta：5.2～8.5%、Nb＜0.15%、Hf：0.03～0.15%、B＜0.05%、V＜0.8%、稀土元素＜0.15%、其他为Ni；

辅助剂包括稳定剂、增韧剂、架桥剂、安定剂以及分散剂。

本发明提供了一种用于热铸工艺中管件的3D打印材料，由粘土料、无碱玻璃纤维、纳米二氧化锆、镍基合金粉末以及辅助剂组成，以粘土料为3D打印材料主体，添加无碱玻璃纤维能够提高3D打印材料制作成型后的整体强度，同时其具有优秀的不燃性以及耐热性；纳米二氧化锆具有高熔点，其化学性质不活泼，同时其热膨胀系数低；同时本发明中还提供了具备优异的高温强度、抗疲劳性能、抗高温腐蚀性和高温合金组织稳定性以及优异承温能力的镍基合金粉末，Cr作为固溶强化元素能够提高镍基合金粉末的抗热腐蚀和氧化性能，但是Cr同时也是拓扑密排相（TCP）的形成元素，而TCP相对最终打印成型的管件的性能是有害的，因此不宜过高；Co能够使强化相γ′均匀分布在基体γ相内起到强化镍基合金粉末的作用；Mo能够通过起到强化γ′和γ的作用，但是对镍基合金粉末内的抗腐蚀性能有消极作用；Re可以起到提高镍基合金粉末的承温能力、抗腐蚀性和抗氧化能力的作用，但是Re元素的密度较大，凝固过程中偏析于枝晶干增加了雀斑缺陷形成的倾向性，同时Re降低了镍基合金粉末在高温条件下的组织稳定性；Ru能够起到稳定合金组织和提高力学性能的效果，但是价格非常昂贵，需要严格控制；W可以提高镍基高温合金的高温性能，但是W在凝固过程中强烈地偏析于γ枝晶干，当W的含量较高时会引起糊状区内液相的热质对流，增加雀斑缺陷形成的倾向性；Al的作用是提高合金中γ′相的含量，同时为在镍基合金粉末表面形成Al₂O₃保护层提高基本元素，以提高3D打印成品中最易氧化部分的抗氧化能力；Ti、Ta以及Nb能够代替Al原子强化γ′相，尤其是高温下的力学新能，然而当这些元素的含量超过一定量之后就会形成脆性的TCP相；Hf的主要作用是改善合金的铸造性；B、Zr在合金中主要起强化晶界的作用，但是降低了合金的初熔温度；微量的V能够赋予镍基高温合金一些特殊的机能，例如提高抗张强度和屈服点；稀土元素能够有效改善镍基合金的部分性能。通过上述成分组成的相互作用，例如Mo、W能够减慢Al、Ti以及Cr的高温扩散，增加扩散激活能；稀土元素与Ru相配合，可增强组织稳定性，降低共晶含量，提升高温蠕变性能等，既能够显著提高镍基合金的高温性能，又能够有效避免有害相和铸造缺陷的出现，同时具有优秀的铸造性能，明显超过现有镍基合金的性能以及制备工艺性，通过以上成分配比组成的镍基合金粉末，不仅制备工艺简单，同时由于其本身具有的优秀的高温强度、抗疲劳性能、抗高温腐蚀性和高温合金组织稳定性以及优异承温能力，确保经过制备获得的3D打印材料成品依然具有如上特性。本发明中的辅助剂由稳定剂、增韧剂、架桥剂、安定剂以及分散剂组成，稳定剂能够保持整体化学平衡，降低所获得的3D打印材料成品的表面张力，能够有效防止其分解、氧化以及开裂；增韧剂能够显著降低本发明所获得产品的脆性，增强韧性，有效避免裂纹的产生，提高承载强度；架桥剂能够在本发明各成分之间起到良好的内交联作用，提高各成分之间的附着力，提高整体耐磨以及力学机械性能；安定剂能够有效提高本发明在制备以及通过本发明制得成品之后的整体热安定性，有效抵抗高温分解；分散剂能够显著降低本发明在制备时，各成分完成分散过程所需的时间，并且提升各成分有效分散性，确保通过本发明制得管件的整体性能的均衡。